海陽核電站1號機組主變運行聲音和振動異常原因分析

陳騰飛,王小波,李忠全,石康寧

(1.山東核電有限公司,山東 煙臺 265116;2.國網山東省電力公司,山東 濟南 250001)

海陽核電站采用500 k V電壓等級接入山東電網。500 k V出線共6回,分別接入3個500 k V變電站。海陽核電1號機組主變壓器為單相變壓器組,該變壓器由天威保變生產,詳細參數和圖片見表1。

海陽核電站1號機組主變倒送電后投入運行,在運行期間聲音和振動出現異常,經測量發現變壓器中性點直流電流最大時超過12 A,噪聲最大值為92.3 d B。為確保主設備安全和現場調試進展,針對主變問題進行了深入研究并采取了有效抑制措施。

1 問題描述及測量過程介紹

1.1 問題描述

2016年1月,海陽核電站1號機組主變投運,運行人員在巡檢中發現主變運行聲音較大,經過初步測量發現運行噪聲超過了90 d B,隨后維修人員在對主變中性點電流進行測量時發現存在直流分量,初步懷疑主變存在直流偏磁現象。直流偏磁原理圖如圖1所示。

圖1 直流偏磁原理圖Fig.1 Sche matic diagra m of DC bias

1.2 數據測量及分析過程

為了驗證初步分析,公司組織相關部門編制了數據測量方案并進行持續測量。

1.2.1 中性點直流分量

經過對中性點直流分量進行24 h持續監測,得到圖2所示圖形 (正值為電流從大地流入中性點,負值為電流從中性點流入大地)。

圖2 中性點直流分量Fig.2 DCcomponent of neutral point

從圖2可以看出主變中性點直流分量的幅值和極性在24 h內不斷變化。

1.2.2 中性點直流分量與主變本體振動關系

2016年1月8日至11日,對主變中性點直流分量及主變油箱本體振動進行了同步測量,測量結果如圖3所示。

從圖3可以看出中性點直流分量與主變本體振動存在正相關性并且主變三相的振動存在一致性。

在對振動數據進行分析后發現如圖4所示趨勢。

從圖4可以看出主變噪聲較大時,振動主頻集中在350 Hz左右,在主變運行聲音正常時,振動主頻集中在100 Hz左右,通過頻譜可以得出噪聲與振動存在正相關性。

圖3 主變中性點直流分量與本體振動關系Fig.3 The relationship bet ween DC current and vibration

圖4 振動頻譜圖Fig.4 Frequency spectrograph of vibration

通過上述數據測量判斷主變運行聲音和振動異常與中性點直流分量直接相關,主變出現了直流偏磁的現象。

1.2.3 直流偏磁原因分析

經過查閱文獻以及調研,造成直流偏磁的原因可能是地磁暴、高壓直流輸電不對稱運行、電網諧波注入、大容量電力電子設備等?，F場根據不同的原因制定了不同的查找方案。

(1)地磁暴

太陽耀斑和地磁場相互作用產生極光電噴,使地磁場產生暫態波動,當足夠嚴重時,就稱為地磁暴。

大地是一個導電的球體,在發生地磁暴時,地磁場的暫態波動使大地的一部分處于這個隨時間變化的磁場中,引起感應地表電位ESP(Earth Surface Potential),在土壤電阻率高的地帶,地磁暴較嚴重時,其數值可達1.2-6 V/k m。地表電位ESP加在長輸電線路兩端的Y接法變壓器中性點上,就像一個理想電壓源,在變壓器和與之連接的交流線路上產生接近直流的感應電流GIC(Geo magnetically Induced Current),頻率約為1至幾個m Hz,此GIC的大小就由首末端變壓器中性點之間的ESP除以變壓器繞組及輸電線路的等值電阻而定。

表2為2016年1月9日至21日太陽活動情況,數據摘自中國科學院國家天文臺太陽活動預報中心。

表2 太陽活動情況Table 2 Solar activity

從數據中可以看出,1月16日、17日地磁活動狀況為 “平靜”,而海陽核電主變在這兩日內均發生直流偏磁現象。因此,海陽核電主變直流偏磁現象不是由地磁暴產生的。

(2)高壓直流輸電不對稱運行

高壓及特高壓直流輸電正常運行狀態下直流線路工作于雙極運行方式,直流電流通過兩極的輸電線構成回路。但在系統調試、檢修或發生故障的情況下,高壓直流輸電會采用單極大地回路的運行方式。單極大地回線運行時地中電流場對電流流經范圍環境會造成較大的影響。由于巨大的直流電流經直流接地極流入大地,因而會在造成較大范圍的內地電位變化,這種地電位的變化,對于受影響地區的交流系統可能造成影響。尤其對于中性點接地的交流系統,將會使處于不同直流電位的變電站經輸電線路、變壓器繞組構成直流回路,直流電流會經變壓器中性點侵入變壓器繞組,引起變壓器的直流偏磁。變壓器出現直流偏磁后會出現噪聲增大,振動加劇等現象,還可能發生過熱,并造成交流電網的諧波畸變增大,直流輸電系統單極大地回線運行引發變壓器偏磁現象的基本原理可以用圖5表示。

圖5 直流輸電引起直流偏磁原理圖Fig.5 Schematic diagra m of HVDCcause

根據圖6的原理可以知道變壓器直流偏磁現象的嚴重程度與地電位的畸變程度和整個回路的直流電阻有顯著的關聯。因此可以通過增加回路電阻的方式降低偏置電流;另外,阻斷直流通路也可以抑制偏置電流。

海陽核電站距離寧東直流膠東換流站接地極100 k m以上,核電站位于距離海岸線1 k m范圍內位置,接地極距離海岸線幾十公里遠。根據山東省電力公司反饋的情況,1月16日至22日,寧東直流入地電流為10 A,且電流方向不變。若海陽核電站主變中性點直流偏磁單純為寧東直流所引起,則主變中性點直流電流變化應相對平穩。從圖3中主變中性點直流電流的特點來看,海陽核電站主變中性點直流偏磁問題與寧東直流無明顯聯系。

另外,寧東直流在4月份的時候進行了停運檢修,在此期間1號機組主變仍然存在明顯的聲音和振動異常,同時中性點仍有直流分量,從而可以排除寧東直流的影響。

(3)電網諧波注入

由于1號機組處于調試階段,電源由500k V電網倒送至主變提供廠內調試電源。在查找原因中懷疑電網從有高次諧波注入,為了驗證假設測試了主變帶負載運行、空載運行及停運狀態下500k V母線的電壓諧波,見表3、表4、表5。

表3 主變帶負載運行Table 3 The date sheet of Main Transf or mer with load

表4 主變空載運行Table 4 The date sheet of Main Transfor mer with no-load

表5 主變停運后Table 5 The date sheet of Main Transfor mer off line

從上表可以看出總諧波畸變率T HD均在標準規定的2%以內。

同時,經過與山東省電力公司溝通,現場組織人員赴與海陽核電連接的三個500k V變電站進行測試,經過測量未在變電站主變中性點發現直流分量。

(4)大容量電力電子設備

1號機組主變出現直流偏磁現象后,現場進行了負荷排查以確保廠內運行設備對變壓器沒有直接影響,在主變空載期間進行了測量,結果發現主變仍然存在直流偏磁現象。

2 解決措施

經過上述方法的逐步排查未找到導致主變直流偏磁的根本原因,為了解決該問題公司先后與山東省電力公司、山東電科院、中國電科院、武高所、南瑞集團及國內高校進行了技術交流,各方考慮到現場調試的進展及主變運行現狀,建議先解決直流偏磁的問題再進行下一步根本原因查找。

2.1 解決方法簡述

過去的研究和工程經驗表明,可從以下幾個方面采取措施解決變壓器直流偏磁問題:一是在變壓器中性點裝電阻,限制直流電流的大小;二是在輸電線上裝設串聯電容補償,阻斷直流的通路;三是在變壓器中性點裝設電容器,阻斷直流電流;四是采用 “注入電流法”削減流入變壓器中性點的直流電流;五是電位補償法。

經過工程經驗、現場實際和經濟性比較,最終確定了隔直電容法,其原理如圖6所示。

圖6 電容隔直原理圖Fig.6 Schematic diagram of blocking condense

2.2 電容隔直裝置投運后數據分析

2016年6月,1號機組主變在安裝電容隔直裝置后再次投運,測量數據見表6、表7和圖7。

表6 隔直裝置投運后的運行聲音Table 6 The running sound after device operating

表7 隔直裝置投運后的振動值Table 6 The vibration value after device operating

從表3數據可以看出,隔直裝置投運后主變運行聲音在正常范圍內,振動值較之前有很大下降。

圖7 隔直裝置投運后的振動頻譜圖Fig.7 Frequency spectrograph of vibration after device operating

3 小 結

1號機組主變在加裝電容隔直裝置后運行穩定,這為海陽核電的調試奠定了堅實基礎。

本文主要目的是介紹海陽核電1號機組主變在倒送電后出現直流偏磁的現象情況以及后續解決措施,目前根本原因仍在查找匯總,由于國內核電站大多數都是沿海布置,海陽核電1號機組主變運行聲音和振動異常情況介紹為后續沿海核電機組提供一些經驗。